OPSL-Whitepaper-Reihe #4:
Hervorragende Zuverlässigkeit – Umfangreiche Installationsbasis

Hervorragende Beständigkeit gegenüber sichtbarem Licht und UV-Strahlung

In den letzten 50 Jahren sind verschiedene Technologien entstanden, die den Einsatz von Dauerstrich-Lasern (CW) im sichtbaren und ultravioletten Lichtbereich ermöglichen. Zuerst kamen die Ionenlaser, gefolgt von lampengepumpten Festkörperlasern, halbleitergepumpten Festkörperlasern (DPSS) und Halbleiterlasermodulen – und heute ist es die OPSL-Technologie. Als führender LaserherstellerCoherent zahlreiche erfolgreiche ProdukteCoherent . Dies verschafft uns eine einzigartige Perspektive, um die Leistung und die Vorteile jedes Lasertyps objektiv mit unserer erstklassigen Praxiserfahrung zu vergleichen. Unter all diesen Lasertypen hat sich der OPSL als einer der zuverlässigsten Laser mit einer sehr langen Lebensdauer erwiesen – siehe Abbildung 1. So hat sich beispielsweise in der Praxis gezeigt, dass unsere B5-Werte bei den Produkten der OBIS- und Sapphire-Reihen mit niedriger Leistung bis zu 20.000 Stunden betragen. Diese beeindruckende Zahl bedeutet, dass 95 % dieser Laser nach 20.000 Betriebsstunden immer noch die spezifizierte Leistung erbringen. Keine andere Technologie für kontinuierliche Laser im sichtbaren oder ultravioletten Bereich kann diese Werte übertreffen.

Für Endnutzer und OEMs sind hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer entscheidende Faktoren für den Markterfolg von OPSLs. Derzeit sind in diesem Bereich fast 100.000 OPSLs im Einsatz, deren Leistung von Millimacht bis zu mehreren Watt reicht – ein klarer Beweis für die breite Akzeptanz und den Erfolg dieser Lasertypen auf dem Markt. In zahlreichen Anwendungen, darunter Geräte für die Biowissenschaften, Halbleiterprüfung und spektakuläre Lichtshows im Außenbereich, haben sich die OPSLCoherent als erste Wahl für kontinuierliche Laser im sichtbaren und ultravioletten Lichtbereich etabliert. Darüber hinaus entwickeln viele OEMs im Bereich der Biowissenschaften derzeit ihre Geräte der dritten und vierten Generation, die alle mit OPSL Coherent ausgestattet sind.

Zuverlässige Abwärtspump-Dioden

Die Zuverlässigkeit und Vertrauenswürdigkeit eines Lasers hängt von seinen Komponenten ab. In einem OPSL gibt es ein entscheidendes aktives Bauteil, die sogenannte Pumpdiode, die für die anfängliche Umwandlung von elektrischer in optische Leistung zuständig ist. Der OPSL verwendet einen InGaAs-Verstärkerchip für den nahen Infrarotbereich. Diese Konfiguration bietet zahlreiche Vorteile, darunter die Tatsache, dass der Verstärkerchip für die Pumpe mit 808 nm Licht optimiert ist. Dadurch kann das Gerät mit einer auf Galliumarsenid (GaAs) basierenden Pumpdiode betrieben werden. Galliumarsenid-Dioden gehören zu den ausgereiftesten Halbleiterlasertechnologien und weisen in den Bereichen Telekommunikation und Datenspeicherung eine beeindruckende Langlebigkeit auf.

Coherent vertikal integrierter Laserhersteller, der alle wichtigen Komponenten und Baugruppen intern entwirft, fertigt, montiert und testet. Daher sind wir bei der Entwicklung von 808-nm-Dioden stets führend und haben zahlreiche innovative Technologien eingeführt, die die Lebensdauer der Geräte auf mehrere Zehntausend Stunden erhöhen. Einige Fortschritte sind besonders auffällig, darunter die Entwicklung aluminiumsfreier Materialien für die Dioden selbst (bekannt als^{AAA™-Technologie} ) sowie der erstmalige Einsatz von Hartlöt-Verpackungstechnologien. Darüber hinausCoherent durch die Übernahme des DILAS-TeamsCoherent VerpackungstechnologienCoherent .

Im Gegensatz zu vielen anderen Laserdiodentypen können die in unseren OPSL-Systemen verwendeten 808-nm-Pumpdioden bereits bei Raumtemperatur eine hohe Leistungsdichte erzeugen. Dadurch entfallen teure und komplexe Kühlkomponenten, und mögliche Ausfälle dieser Kühlsysteme werden vermieden. Natürlich ändert sich die Emissionswellenlänge der Laserdiode mit der Temperatur. Die Absorptionsbandbreite des Verstärkerchips ist jedoch sehr breit, im Gegensatz zu den Kristallen, die in DPSS-Lasern verwendet werden und einen schmalen Absorptionspeak aufweisen. Daher ist es nicht erforderlich, die Wellenlänge der Pumpdiode präzise aufrechtzuerhalten, um die Temperatur zu stabilisieren. Dies beseitigt einen weiteren Mechanismus, der langfristig zu einem Leistungsabfall führen könnte.

Darüber hinaus arbeiten die PumpdiodenCoherent stets mit einer Nennleistung, die deutlich unter der maximalen Belastbarkeit liegt. Daher weisen diese Pumpdioden eine sehr lange Lebensdauer auf, und der Ansteuerstrom kann sicher erhöht werden, um eine etwaige natürliche, geringfügige Langzeitalterung des Pumplasers auszugleichen.

Zuverlässiges und stabiles Verstärkungsmedium

Der Halbleiter-Verstärkerchip ist eine weitere Schlüsselkomponente und ein einzigartiges Bauteil von OPSL. Der Verstärkerchip ist im Grunde ein optisch gepumpter vertikaler Halbleiterlaser (VCSEL). Dieser monolithische III-V-Halbleiterchip besteht aus mehreren Schichten ternärer Quantentöpfe (InGaAs), die sich mit binären (GaAs) Schichten abwechseln. Der Hauptvorteil der VCSEL-Architektur liegt darin, dass die Emission senkrecht zum aktiven Übergang erfolgt, d. h. über die große Oberfläche des Bauteils und nicht über eine schmale, asymmetrische Kantenfläche. Auf diese Weise entsteht ein kreissymmetrischer Ausgangsstrahl mit großem Durchmesser. Daher ist die Lichtleistungsdichte an der Ausgangsfläche wesentlich geringer als bei den für sichtbare Lichtdioden typischen Kantenstrukturen. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zwischen OPSLs und sichtbaren Laserdioden, wodurch die Leistung von OPSLs problemlos skaliert werden kann und der Ausfallmechanismus der Schnittflächenbeschädigung beseitigt wird. Die Schnittflächenbeschädigung ist nach wie vor der Hauptausfallmechanismus bei einigen sichtbaren Laserdioden. Sichtbare und UV-OPSL vermeiden hohe Schnittflächenintensitäten, was einer der Gründe für ihre inhärente längere Lebensdauer im Vergleich zu direkten Dioden ist. Da das Verstärkungsmedium ein großflächiger Halbleiter ist, kommt es zudem nicht zur Ansammlung von Farbstofffehlern, wie sie in vielen Kristallen auftreten, die als Ersatz für halbleitergepumpte Festkörperlaser (DPSS) verwendet werden.

Daher bieten die beiden wichtigsten aktiven Komponenten des OPSL – die Pumpdiode und der Verstärkerchip – ein erhebliches Potenzial für die Steigerung der Zuverlässigkeit und die Verlängerung der Lebensdauer. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen,Coherent wichtige KonstruktionsinnovationenCoherent , die auf unserer über 50-jährigen Erfahrung als Anbieter von Lasern für OEM-, industrielle und wissenschaftliche Anwendungen basieren.

Gesamtkonstruktion und PermAlign-Technologie

Bei vielen herkömmlichen Lasern nimmt die Leistung im Laufe der Zeit ab, was vor allem auf den Verlust der Resonatorausrichtung zurückzuführen ist. Wiederholte natürliche Temperaturzyklen sowie die langfristigen Auswirkungen von Umgebungsvibrationen und Betriebsstößen können zu einer Verschiebung der optischen Komponenten im Laserresonator führen. Dies kann zumindest zu einer Verschlechterung der Modenqualität führen, beispielsweise zum Übergang_{eines TEM00-Lasers} zu einem multimodalen Ausgangsstrahl. Dieses Phänomen kann auch zu einem Leistungsabfall führen, der im schlimmsten Fall die Laseremission vollständig unterbinden kann. In der Vergangenheit mussten Endnutzer oder Servicetechniker zur Korrektur dieser Verschiebung „Feineinstellungen“ an den optischen Komponenten vornehmen, um diese wieder in die korrekte Ausrichtungsposition zu bringen. Coherent haben schon früh erkannt, dass diese Lösung in modernen Anwendungen nicht praktikabel oder inakzeptabel ist, insbesondere wenn der Laser in OEM-Geräte eingebaut ist. Bei OPSL setzen wir zwei bewährte Lösungen ein, um diesen Fehlermechanismus der Fehlausrichtung zu beseitigen.

Die Coherent OPSL sind mit verschiedenen Ausgangsleistungen erhältlich, wie in Abbildung 3 dargestellt. Bei unseren kleineren OPSL (wie Sapphire OBIS-Lasern) ist der Laserkavitätsaufbau auf einer kleinen Keramikplatte montiert. Darüber hinaus kommen bei unseren OPSLs in großem Umfang unsere einzigartigen, patentierten PermAlign™-Halterungen zum Einsatz. Die meisten einstellbaren optomechanischen Halterungen verfügen über Einstellschrauben und eine oder mehrere Feststellschrauben, die die endgültige Einstellung fixieren sollen. Doch selbst bei diesen hochwertigen Halterungen kommt es im Laufe der Zeit zu einer allmählichen Verschiebung der Ausrichtung, bedingt durch Umgebungsvibrationen und/oder mechanische Stöße sowie durch thermische Einflüsse, die durch die Verwendung unterschiedlicher Metalle entstehen. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der PermAlign™-Halterung um eine einteilige Metallhalterung, auf die die optischen Komponenten dauerhaft aufgeschweißt sind. Während die Strahlausrichtung und die Laserleistung überwacht werden, wird die Form der Metallhalterung selbst feinjustiert, bis die endgültige Ausrichtung erreicht ist. Daher gibt es bei einer solchen Halterung keine Teile, die sich bewegen oder verrutschen können.

Weitere praktische Überlegungen

Wir verfügen über langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Lasern, wodurch wir zwei weitere Faktoren in unseren OPSL-Lasern beseitigen konnten, die zu Leistungseinbußen oder Ausfällen führen können: die Erwärmung des Verstärkungsmediums und die Verschmutzung der optischen Oberflächen. Konkret haben wir ein effektives Kühlkonzept implementiert, das die Temperatur im Verstärkerchip des OPSL-Lasers direkt senkt. Dieses Kühlkonzept basiert auf einer neuen, patentierten Befestigungstechnik, bei der der Chip direkt auf dem Kühlkörper fixiert wird. Dies ist einer der entscheidenden Faktoren für die lange Lebensdauer von OPS-Lasern. Die effiziente Kühlung des Verstärkerchips hat zudem den Vorteil, dass bei gegebenen Geräteabmessungen eine höhere Leistung erzielt werden kann.

Darüber hinaus haben wir während der Produktentwicklung HALT-Tests (Highly Accelerated Life Testing) und während der Fertigung HASS-Tests (Highly Accelerated Stress Screening) durchgeführt. Das Konzept von HALT zielt darauf ab, folgende Frage zu beantworten: „Wie lässt sich die Zuverlässigkeit des Produktdesigns maximieren, ohne Hunderte von Geräten zu bauen und Zehntausende von Teststunden durchzuführen?“ Während des Entwicklungsprozesses werden die Bauteile Belastungen ausgesetzt, die weit über ihre normalen Betriebsbedingungen hinausgehen (in der Regel Temperatur, mechanische Stöße/Vibrationen, Antriebsstrom/Leistung oder eine Kombination dieser Parameter), wodurch Fehler hervorgerufen werden. Anschließend analysieren wir diese Fehlermuster und vermeiden sie im Produkt; zudem beseitigen wir Fehlermuster unter extremen Bedingungen, um sicherzustellen, dass dieselben Fehlermuster unter normalen Betriebsbedingungen keine Auswirkungen haben. HASS hingegen nutzt ähnliche, jedoch nicht allzu extreme Bedingungen (die dennoch über die Standardbetriebsbedingungen hinausgehen), um Materialprobleme oder Prozessfehler zu erkennen. HALT und/oder HASS können für eine Vielzahl von Technologien und Produkten kombiniert werden und gewährleisten ein zuverlässiges Produktdesign sowie die Lieferung langlebiger Produkte.

Schließlich ist es für eine lange Lebensdauer des Lasers unerlässlich, die ursprünglichen optischen Oberflächen des Lasers zu erhalten – ein Faktor, der zwar banal erscheint, aber von entscheidender Bedeutung ist. Der Grund dafür liegt darin, dass sich auf diesen optischen Oberflächen Mikroverschmutzungen ansammeln können, die letztendlich zu Absorption, Verlust der Laserleistung und in manchen Fällen sogar zur Beschädigung der optischen Komponenten führen. Bei OPSL setzen wir für industrielle Ultrakurzpulslaser strenge Maßnahmen ein, um eine kontaminationsfreie, hermetisch abgeschlossene Kammer zu schaffen und aufrechtzuerhalten. Dies bedeutet insbesondere eine sorgfältige Materialauswahl, einschließlich der möglichst geringen Verwendung nichtmetallischer Werkstoffe. Derzeit sind die einzigen organischen Stoffe, die wir im Resonatorraum verwenden, Materialien, die von den Ingenieuren bei Coherent streng getestet wurden und sowohl hinsichtlich der Entgasung als auch der Kompatibilität mit den Laseroptiken den Anforderungen entsprechen. Darüber hinaus zeigen unsere langjährigen Erfahrungen mit industriellen UV-Lasern, dass unsere werkseigenen Reinigungsprotokolle für mechanische und optische Komponenten ebenso wichtig sind. Selbst geringste Verunreinigungen wie Öl oder Schmiermittel wandern letztendlich von Metallteilen auf optische Oberflächen, was eine Reinigung oder den Austausch der optischen Komponenten erforderlich macht. Wir verfügen über bewährte Verfahren, um jegliche Spuren dieser Materialien zu beseitigen.